全文摘要
本申请公开了一种紫外中继分幅光学系统和紫外分幅相机。紫外中继分幅光学系统，包括第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜、反射镜、成像面；第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜沿第一方向依次设置；反射镜沿第二方向分别位于角锥反射棱镜的两侧；成像面与反射镜相对；第一镜片组沿第一方向依次包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜；第二镜片组沿第一方向依次包括第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第五正透镜、第三负透镜、第四负透镜、第六正透镜。该系统保证了190～350nm紫外波段的成像质量和灵敏度。
主设计要求
1.一种紫外中继分幅光学系统，其特征在于，包括第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜、反射镜、成像面；所述第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜沿第一方向依次设置；所述反射镜沿第二方向分别位于所述角锥反射棱镜的两侧；所述成像面与所述反射镜相对；所述第一镜片组沿第一方向依次包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜；所述第二镜片组沿第一方向依次包括第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第五正透镜、第三负透镜、第四负透镜、第六正透镜；其中，所述第一方向为物方至像方的方向，所述第二方向为与所述第一方向相垂直的方向。
设计方案
1.一种紫外中继分幅光学系统，其特征在于，包括第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜、反射镜、成像面；
所述第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜沿第一方向依次设置；
所述反射镜沿第二方向分别位于所述角锥反射棱镜的两侧；
所述成像面与所述反射镜相对；
所述第一镜片组沿第一方向依次包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜；
所述第二镜片组沿第一方向依次包括第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第五正透镜、第三负透镜、第四负透镜、第六正透镜；
其中，所述第一方向为物方至像方的方向，所述第二方向为与所述第一方向相垂直的方向。
2.根据权利要求1所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，所述紫外中继分幅光学系统的相对孔径为F1.4～4.0。
3.根据权利要求1所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，所述第一镜片组和所述第二镜片组的焦距为0.2≤|f1\/f2|≤2.5；
其中，f1为第一镜片组的焦距，f2为第二镜片组的焦距。
4.根据权利要求1所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，所述紫外中继分幅光学系统的出瞳位置位于第六正透镜的后方。
5.根据权利要求4所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，所述角锥反射棱镜的锥点或者棱边位于所述紫外中继分幅光学系统的出瞳位置前后5mm的范围内。
6.根据权利要求1所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，所述紫外中继分幅光学系统的放大倍数为0.8～4。
7.根据权利要求1所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，采用对190～400nm紫外波段透过率大于90％的光学材料。
8.根据权利要求7所述的紫外中继分幅光学系统，其特征在于，所述光学材料选自融石英、氟化物材料中的任一种；
其中，所述氟化物材料包括氟化钙、氟化镁中的任一种。
9.一种紫外分幅相机，其特征在于，包括物镜光学系统以及权利要求1～8任一项所述的紫外中继分幅光学系统。
10.根据权利要求9所述的紫外分幅相机，其特征在于，所述物镜光学系统的成像面在所述紫外中继分幅光学系统中的第一负透镜入光面的后方。
设计说明书
技术领域
本申请涉及一种紫外中继分幅光学系统以及紫外分幅相机，属于分幅成像技术领域。
背景技术
在一些对成像快门积分时间要求较高的领域，如超快成像、弹道研究、粒子图像速度测量等等，普遍采用像增强型的超高速相机系统，如图1所示。由光信号转换成电信号，经电放大再转换成光信号的像增强器原理可以实现纳秒级时间尺度的快门成像控制。但是受限于荧光屏材料的荧光卒灭时间，目前的像增强型超高速相机系统只能做到400纳秒以上的帧间隔拍摄。采用中继分幅方式利用多台相机进行分时拍摄可避免单通道相机帧间隔时间有限的弊病，可实现无限短帧间隔时间的连续拍摄。目前可见光波段，分幅相机技术已经比较成熟，而在350nm以下的紫外波段，分幅型的超高速相机方案却很少，并且现有技术中的分幅型相机成像质量和灵敏度都不高。
实用新型内容
根据本申请的一个方面，提供了一种紫外中继分幅光学系统，该系统保证了190～350nm紫外波段的成像质量和灵敏度。
一种紫外中继分幅光学系统，包括第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜、反射镜、成像面；
所述第一镜片组、滤光片、第二镜片组、角锥反射棱镜沿第一方向依次设置；
所述反射镜沿第二方向分别位于所述角锥反射棱镜的两侧；
所述成像面与所述反射镜相对；
所述第一镜片组沿第一方向依次包括第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜；
所述第二镜片组沿第一方向依次包括第三正透镜、第二负透镜、第四正透镜、第五正透镜、第三负透镜、第四负透镜、第六正透镜；
其中，所述第一方向为物方至像方的方向，所述第二方向为与所述第一方向相垂直的方向。
可选地，所述紫外中继分幅光学系统的相对孔径为F1.4～4.0。
可选地，所述第一镜片组和所述第二镜片组的焦距为0.2≤|f1\/f2|≤2.5；
其中，f1为第一镜片组的焦距，f2为第二镜片组的焦距。
可选地，所述紫外中继分幅光学系统的出瞳位置位于第六正透镜的后方。
可选地，所述角锥反射棱镜的锥点或者棱边位于所述紫外中继分幅光学系统的出瞳位置前后5mm的范围内。
可选地，所述紫外中继分幅光学系统的放大倍数为0.8～4。
可选地，采用对190～400nm紫外波段透过率大于90％的光学材料。
可选地，所述光学材料选自融石英、氟化物材料中的任一种；
其中，所述氟化物材料包括氟化钙、氟化镁中的任一种。
根据本申请的另一方面，还提供了一种紫外分幅相机，包括物镜光学系统以及上述任一项所述的紫外中继分幅光学系统。
可选地，所述物镜光学系统的成像面在所述紫外中继分幅光学系统中的第一负透镜入光面的后方。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的紫外中继分幅光学系统，该系统保证了190～350nm紫外波段的成像质量和灵敏度。
2)本申请所述的紫外中继分幅光学系统是包括场镜光学镜组(第一镜片组)和共轭光学镜组(第二镜片组)配合组成，其中场镜光学镜组主要功能为使紫外中继分幅光学系统入瞳位置与物镜光学系统出瞳位置相匹配，保证紫外图像的传输效率和成像范围内各点的成像照度均匀性。
3)紫外中继分幅光学系统出瞳位置在最后一片透射镜片后方，其空间位置为分幅所用的多面反射棱镜前边棱或者前锥点位置，保证分幅图像成像范围内各点的成像照度均匀性。
附图说明
图1为现有技术中普通单通道像增强型相机的光学系统示意图；
图2为实施例1提供的紫外中继分幅光学系统的结构示意图；
图3为实施例1提供的紫外中继分幅光学系统与物镜光学系统匹配光路示意图；
图4为实施例1提供的紫外中继分幅光学系统的光学传递函数曲图；
图5为实施例1提供的紫外中继分幅光学系统的场曲和畸变曲线图；
图6为实施例2提供的紫外分幅相机中的光学系统的结构示意图。
部件和附图标记列表：
光阑100； 第一镜片组200；
第一负透镜201； 第一正透镜202；
第二正透镜203； 滤光片300；
第二镜片组400； 第三正透镜401；
第二负透镜402； 第四正透镜403；
第五正透镜404； 第三负透镜405；
第四负透镜406； 第六正透镜407；
角锥反射棱镜500； 反射镜600；
成像面700。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
本申请提供了一种紫外中继分幅光学系统，包括第一镜片组200、滤光片300、第二镜片组400、角锥反射棱镜500、反射镜600、成像面700；第一镜片组200、滤光片300、第二镜片组400、角锥反射棱镜500沿第一方向依次设置；反射镜600沿第二方向分别位于角锥反射棱镜500的两侧；成像面700与反射镜600相对；第一镜片组200沿第一方向依次包括第一负透镜201、第一正透镜202、第二正透镜203；第二镜片组400沿第一方向依次包括第三正透镜401、第二负透镜402、第四正透镜403、第五正透镜404、第三负透镜405、第四负透镜406、第六正透镜407；其中，第一方向为物方至像方的方向；第二方向为与第一方向相垂直的方向。
在本申请中，将物方方向定为前方，成像面方向定为后方。本实用新型所述的紫外中继分幅光学系统，其光学结构上分为第一镜片组200和第二镜片组400前后两个镜片组，其中前组第一镜片组200由三片镜片组成，主要用于改变物镜方向的主光线角度，实现与物镜系统的出瞳匹配；后组第二镜片组400有7片镜片组成，主要用于完成中继光学系统的像差校正，实现物镜图像的传递，并在传感器成像面成像。
本申请所述的紫外中继分幅光学系统采用10组10片的光学结构，从物方侧向像方方向顺序排列依次是由第一负透镜201、第一正透镜202、第二正透镜203、滤光片300、第三正透镜401、第二负透镜402、第四正透镜403、第五正透镜404、第三负透镜405、第四负透镜406、第六正透镜407、角锥反射棱镜500、反射镜600、成像面700组成。
可选地，紫外中继分幅光学系统的相对孔径为F1.4～4.0。
可选地，第一镜片组200和第二镜片组400的焦距为0.2≤|f1\/f2|≤2.5；其中，f1为第一镜片组的焦距，f2为第二镜片组的焦距。
具体地，两组光学系统第一镜片组200和第二镜片组400的焦距比满足不等式：0.2≤|f1\/f2|≤2.5。
可选地，紫外中继分幅光学系统的出瞳位置位于第六正透镜407的后方。
具体地，本申请中的紫外中继分幅光学系统出瞳位置位于最后一个球面镜(即第六正透镜407)的后方。
可选地，角锥反射棱镜500的锥点或者棱边位于所述紫外中继分幅光学系统的出瞳位置前后5mm的范围内。
在本申请中，当角锥反射棱镜500的锥点或者棱边位于所述紫外中继分幅光学系统的出瞳位置前后5mm的范围内，即认为角锥反射棱镜500的锥点或者棱边与出瞳位置重合。
在一个具体的示例中，紫外中继分幅光学系统出瞳位置位于最后一个球面镜(即第六正透镜407)的后方，其出瞳位置与分光角锥棱镜锥点位置或棱边位置重合，即可保证分幅图像成像范围内各点的成像照度均匀性。
可选地，紫外中继分幅光学系统的放大倍数为0.8～4。
可选地，采用对190～400nm紫外波段透过率大于90％的光学材料。
具体地，紫外中继分幅光学系统采用190～400nm紫外波段高透过率的光学材料制成。
可选地，所述光学材料选自融石英、氟化物材料中的任一种；
其中，所述氟化物材料包括氟化钙、氟化镁中的任一种
本申请还提供了一种紫外分幅相机，包括物镜光学系统以及上述任一项所述的紫外中继分幅光学系统。
具体地，物镜光学系统位于紫外中继分幅光学系统的前方。
物镜光学系统包括图2所示的光阑100。
可选地，所述物镜光学系统的成像面在所述紫外中继分幅光学系统中的第一负透镜201入光面的后方。
具体地，本实用新型提供的紫外中继分幅光学系统与前方物镜光学系统匹配时，物镜光学系统成像面位置在中继光学系统第一负透镜201的左侧光学端面的后方。该结构可兼容所有出瞳位置在物镜成像面前方50～200mm范围内、相对孔径值大于F2.0的物镜光学系统，并实现光学图像传递效率和能量传递效率良好匹配。
本申请所提供的紫外中继分幅光学系统对于物镜光学系统的图像放大倍数为0.8～4，优选地，放大倍数为2.0，对于相对孔径值大于F2.0的物镜光学系统，相对孔径放大比为0.5。
本申请所提供的中继分幅光学系统处于物镜和成像面之间，用于物镜图像的传递和分幅。
本申请所述技术方案采用少数几种紫外光学材料设计制造的紫外中继光学系统，可实现F1.4～4.0相对孔径，0.8～4倍的中继放大比。
本申请所述的紫外中继分幅光学系统是包括场镜光学镜组(第一镜片组)和共轭光学镜组(第二镜片组)配合组成，其中场镜光学镜组主要功能为使紫外中继分幅光学系统入瞳位置与物镜光学系统出瞳位置相匹配，保证紫外图像的传输效率和成像范围内各点的成像照度均匀性。
在本申请中，将物镜光学系统方向为前方，紫外中继分幅光学系统出瞳位置在最后一片透射镜片后方，其空间位置为分幅所用的多面反射棱镜前边棱或者前锥点位置，保证分幅图像成像范围内各点的成像照度均匀性。
实施例1
图2为本实施例所提供的紫外中继分幅光学系统的结构示意图，下面结合图2对本实施例进行说明。
如图2所示，本实施例提供的紫外中继分幅光学系统包括光阑100、第一负透镜201、第一正透镜202、第二正透镜203、滤光片300、第三正透镜401、第二负透镜402、第四正透镜403、第五正透镜404、第三负透镜405、第四负透镜406、第六正透镜407、角锥反射棱镜500、反射镜600、成像面700。本实施例提供的紫外中继分幅光学系统的归一化参数如表1所示：
表1
图3为本实施例提供的紫外中继分幅光学系统与物镜光学系统匹配光路示意图。由图3可以看出物镜成像面位于中继镜组中的第一负透镜201的入光面的后方。
图4为本实施例提供的紫外中继分幅光学系统的光学传递函数曲图，由图4可以看出中继光学系统在空间频率50线对\/毫米下中心视场光学传递函数(OTF)达到0.4以上，边缘视场光学传递函数(OTF)达到0.3以上。
图5为本实施例提供的紫外中继分幅光学系统的场曲和畸变曲线图，由图5可以看出中继光学系统场曲在正负0.2毫米以内，全视场畸变在正负0.35％以内。
备注：所述图3至图5为美国Radiant Zemax公司的ZEMAX光学设计软件计算所得
实施例2
图6为本实施例提供的紫外分幅相机中的光学系统的结构示意图。下面结合图6对本实施例进行说明。
如图6所示，本实施例提供的紫外分幅相机中的光学系统包括物镜光学系统和上述所述的紫外中继分幅光学系统。物镜光学系统在紫外中继分幅光学系统的前方。
本实施例的技术方案基于分幅相机原理，采用反射式的分幅方式，可保证190～350nm紫外波段的成像质量和灵敏度。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920020260.3
申请日:2019-01-07
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:35(福建)
授权编号:CN209182650U
授权时间:20190730
主分类号:G03B 39/00
专利分类号:G03B39/00
范畴分类:30C;
申请人:中国科学院福建物质结构研究所
第一申请人:中国科学院福建物质结构研究所
申请人地址:350002 福建省福州市鼓楼区杨桥西路155号
发明人:吴鸿春;戴殊韬;翁文;林紫雄;李锦辉;黄见洪;林文雄;吴丽霞;张志;史斐
第一发明人:吴鸿春
当前权利人:中国科学院福建物质结构研究所
代理人:周游
代理机构:11540
代理机构编号:北京元周律知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计